Bonn/Tokio, 16/17. April 2015. Ein internationales Team von Forschern des DZNE und des Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) hat in einer gemeinsamen Studie aufgedeckt, dass sich Nervenzellen auf molekularer Ebene verändern, wenn sie über längere Zeit hin Licht ausgesetzt sind. In der aktuellen Ausgabe von Neuron erklären die Forscher, dass ein neuronaler Rückmeldemechanismus diese Veränderungen verantwortet. Eine gezielte Förderung dieser Eigenschaft könnte dazu dienen, Nervenzellen vor Degeneration und dem Zelltod zu bewahren.
Taufliegen-Studien veranschaulichen die Anpassungsfähigkeit der Nervenzellen
Veränderungen in den Verbindungsstellen von Neuronen – auch Synapsen genannt – tragen zu unserer Anpassungsfähigkeit an Umweltveränderungen bei. Bis jetzt war nur wenig über die Signale bekannt, die dieser "synaptischen Plastizität" zugrunde liegen. Forscherinnen und Forscher des DZNE, des Tokyo Tech, des Nationalen Instituts für Genetik in Japan und des Europäischen Instituts für Neurowissenschaften in Deutschland haben jetzt mehr Einzelheiten zu den Wirkungsweisen der synaptischen Plastizität aufgedeckt.
"Diese synaptischen Veränderungen könnten eine angeborene neuronale Eigenschaft darstellen, die vor übermäßigen Reizen schützt", erklärt Dr. Atsushi Sugie, Erstautor der Studie und PostDoc am DZNE. "Die gezielte Förderung dieser Eigenschaft könnte Neurone vor Degeneration oder Zelltod schützen", fügte er hinzu.
Vorangegangene Studien ließen bisher vermuten, dass die Funktion der Synapsen durch Änderungen in der sogenannten „aktiven Zone“, einem Bereich der präsynaptischen Membran, gesteuert wird. Die Forscherinnen und Forscher aus Deutschland und Japan haben lebende Taufliegen – die oft studierte Drosophila melanogaster – unterschiedlichen Lichtbedingungen ausgesetzt und die aktiven Zonen ihrer Fotorezeptoren verglichen.
Die präsynaptische Membran bildet T-förmige Strukturen, an denen Synaptische Vesikeln binden. Diese enthalten einen Neurotransmitter, der an die postsynaptische Nervenzelle übertragen wird. Anhand markierter Proteine, die für die T-förmige Struktur ausschlaggebend ist, konnte das Forscherteam aufzeigen, dass manche Proteine der aktiven Zone abnahmen, während andere unverändert blieben. Darüber hinaus fanden sie heraus, dass parallel zum Verlust dieser Strukturproteine auch die Anzahl der T-förmigen Strukturen abnahm.
Die Forscher identifizierten einen Rückmeldemechanismus, der für diese Veränderungen verantwortlich ist und auf dem Signalprotein Wnt beruht. Somit tragen die Ergebnisse zu einem besseren Verständnis molekularer Mechanismen bei, denen plastische Hirnfunktionen wie Lernen und Gedächtnis zugrunde liegen. Zukünftige Arbeiten werden sich der Fragestellung widmen, wie die Modifizierung des Wnt-Signals zur Veränderung der synaptischen Plastizität beiträgt mit möglichen therapeutischen Anwendungen für neurodegenerative oder Geisteskrankheiten.
Hintergrund
Synapsen
Synapsen ermöglichen den Austausch chemischer Signale zwischen Nervenzellen, so dass Informationen im Nervensystem wandern können. Chemische Signale werden durch die präsynaptische Freisetzung von Neurotransmittern über synaptische Vesikel geleitet. Die Neurotransmitter werden von postsynaptischen Rezeptoren empfangen und lassen das Signal von Neuron zum Zielneuron passieren.
Wiederholte oder länger andauernde Reize können bei Synapsen kurz- oder langfristig zu Veränderungen führen. Dies unterstützt die Übertragung von Signalen sowie die Plastizität des Gehirns, einschließlich Lernen und Gedächtnis oder die Fähigkeit, sich an Umweltveränderungen anzupassen.
Die Rolle von Proteinen
In früheren Studien wurde festgestellt, dass die Wahrscheinlichkeit der Freisetzung von Neurotransmittern stark mit den Pegeln bestimmter Proteine in der aktiven Zone im Bereich der präsynaptischen Membran korreliert. Darüber hinaus ist die Lokalisierung dieser Proteine von der neuronalen Aktivität abhängig. Die vorliegende Studie zeigt, dass die molekulare Zusammensetzung der Synapsen in lebenden Organismen, die anhaltenden Umweltreizen ausgesetzt sind, moduliert werden kann.
Einzelheiten zu den Studien
Sugie und Kollegen untersuchten Drosophila-Fliegen, die gerade das Erwachsenenalter erreicht hatten und setzten diese jeweils unterschiedlichen Lichtbedingungen aus: Dauerlicht, konstante Dunkelheit oder 12 Stunden Licht mit 12 Stunden Dunkelheit. Um eine Degeneration der Netzhaut zu vermeiden, war das Licht leicht gedämpft. Die Untersuchung des fluoreszenzmarkierten Proteins „Bruchpilot“ in der „aktiven Zone“ zeigte, dass dieses Protein – zunächst nur an diskreten Punkten der aktiven Zone vorzufinden – bei längerer Lichteinwirkung sich von der aktiven Zone abkoppelt. Diese Veränderung konnte bei der Rückkehr der Fliegen in die Dunkelheit aber wieder rückgängig gemacht werden.
Eine Reihe von Proteinen wird mit der Struktur der aktiven Zone assoziiert. Obwohl eine Untergruppe von Proteinen nicht betroffen war, beobachteten die Forscherinnen und Forscher Veränderungen vergleichbar mit dem Verlust des Bruchpilot-Proteins in anderen Proteinen mit ähnlichen Funktionen sowie eine Neuordnung der Mikrotubuli.
Nach Angaben der Forscher eröffnen die Studienergebnisse hier eine neue Herangehensweise für die Bewertung synaptischer Plastizität von neuronalen Synapsen. Sie betonten auch, dass die synaptische Plastizität mit einem optischen Mikroskop durch fluoreszierende Proteine ohne Elektronenmikroskopie möglich war.
Originalpublikation
Molecular Remodelling of the Presynaptic Active Zone of Drosophila Photoreceptors via Activity-Dependent Feedback.
Atsushi Sugie, Satoko Hakeda-Suzuki, Emiko Suzuki, Marion Silies, Mai Shimozono, Christoph Mohl, Takashi Suzuki* und Gaia Tavosanis* | *Co- Autoren.
Neuron 86, 1-15, May 6, 2015. doi: 10.1016/j.neuron.2015.03.046